費(fèi)文緒/編譯

冷凍電鏡技術(shù)榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

費(fèi)文緒/編譯

2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了幫助科研人員看清生物分子的冷凍電鏡技術(shù)。

10 月 4 日，雅克·杜博歇（Jacques Dubochet）、約阿希姆·弗蘭克（Joachim Frank）、理查德·亨德森（Richard Henderson）因?qū)鋬鲭婄R技術(shù)（cryo-EM）的發(fā)展做出的突出貢獻(xiàn)被授予2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。冷凍電鏡技術(shù)是一種通過把電子束照射到冷凍在溶液中的蛋白質(zhì)上，從而解析出生物分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

過去數(shù)十年來，生物學(xué)家通常都利用X射線晶體學(xué)——把X射線照射到蛋白質(zhì)晶體上來做生物分子結(jié)構(gòu)的成像。而如今，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室競相采用冷凍電鏡技術(shù)，因?yàn)樗苡^測到不容易形成大晶體的蛋白質(zhì)。瑞典皇家科學(xué)院在頒發(fā)2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)指出，冷凍電鏡這一結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究利器“使得生物化學(xué)邁向了新的時(shí)代”。

成像溶液

20世紀(jì)70年代，在英國劍橋大學(xué)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作的分子生物學(xué)家理查德·亨德森和他的同事奈杰爾·昂溫（Nigel Unwin）想要確定一種名叫“細(xì)菌視紫紅質(zhì)”的蛋白質(zhì)的形狀。這種利用光能讓蛋白質(zhì)穿過細(xì)胞膜的分子被證明不適合用X射線晶體學(xué)的方法來觀測。所以，他們轉(zhuǎn)而采用電子顯微鏡技術(shù)并在1975年產(chǎn)生了他們的首個(gè)蛋白質(zhì)3D成像模型。

同樣在20世紀(jì)70年代，生物物理學(xué)家約阿希姆·弗蘭克（現(xiàn)為美國哥倫比亞大學(xué)教授）及其同事研發(fā)出了一種圖像處理軟件。當(dāng)科學(xué)家用電子顯微鏡觀測蛋白質(zhì)時(shí)，這個(gè)圖像處理軟件能讓電子顯微鏡獲得的不清晰的圖像變得有意義，并把二維的模糊圖像轉(zhuǎn)換成三維的分子結(jié)構(gòu)。

運(yùn)用冷凍電鏡技術(shù)對蛋白質(zhì)進(jìn)行成像，比如這個(gè)β-半乳糖苷酶，得到的圖像從左邊的低分辨率密度圖前進(jìn)到了右邊的原子坐標(biāo)圖

20世紀(jì)80年代初，雅克·杜博歇（現(xiàn)為瑞士洛桑大學(xué)榮譽(yù)教授）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研究出如何避免溶于水的生物分子在電子顯微鏡的真空下脫水干死，從而使得分子在成像時(shí)保持了自然形態(tài)。他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種利用液態(tài)乙烷快速冷凍蛋白質(zhì)溶液的方法，使得分子在被電子擊中時(shí)仍能保持相對靜止。這種方法使得科研人員能用電子顯微鏡解析出比以前更高分辨率的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

上述這些進(jìn)展以及其他科學(xué)家的研究進(jìn)展使得亨德森在1990年利用冷凍電鏡創(chuàng)造出了首個(gè)達(dá)到原子分辨率的蛋白質(zhì)圖像。

分辨率革命

盡管得到諾貝爾獎(jiǎng)評審委員會認(rèn)可的冷凍電鏡研究是在20世紀(jì)70～80年代完成的，卻為近年來很多科學(xué)家口中的“分辨率革命”奠定了基石。對電子顯微鏡靈敏度和把電子顯微鏡成像轉(zhuǎn)換成3D分子結(jié)構(gòu)的軟件后續(xù)改進(jìn)已經(jīng)促使很多實(shí)驗(yàn)室更偏愛冷凍電鏡技術(shù)而不是X射線晶體學(xué)。

弗蘭克在斯德哥爾摩瑞典皇家科學(xué)院接受記者采訪時(shí)指出，技術(shù)創(chuàng)新可以產(chǎn)生比科學(xué)發(fā)現(xiàn)更大的影響力。他認(rèn)為，“冷凍電鏡技術(shù)即將完全改變結(jié)構(gòu)生物學(xué)?！彼盅a(bǔ)充道，核糖體——細(xì)胞中合成蛋白質(zhì)的機(jī)器——是他所能想象到的“最酷”的分子。

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家文卡特拉曼·拉馬克里希南（Venki Ramakrishnan）因采用X射線晶體學(xué)的技術(shù)揭示了核糖體的結(jié)構(gòu)而分享了2009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他是很多轉(zhuǎn)用冷凍電鏡技術(shù)研究分子結(jié)構(gòu)的科學(xué)家之一。從《自然》雜志的記者那里得知冷凍電鏡技術(shù)獲得2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)后，他興奮地說：“噢，太棒了，這三位科學(xué)家正是我認(rèn)為應(yīng)該獲諾獎(jiǎng)的人。”

瑞士伯爾尼大學(xué)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家伯努瓦·祖貝爾（Beno?t Zuber）曾跟隨杜博歇攻讀博士學(xué)位，他表示自己的導(dǎo)師總是相信冷凍電鏡技術(shù)會成為一種至關(guān)重要的研究工具，即使其他人嘲笑該領(lǐng)域是“只能看見一坨東西的技術(shù)”，因?yàn)樗东@的分子圖像分辨率很低?！八哂羞h(yuǎn)見并且堅(jiān)信冷凍電鏡技術(shù)必將大有作為，即便當(dāng)時(shí)每個(gè)人都認(rèn)為這只是一個(gè)夢。”祖貝爾說。

“諾獎(jiǎng)是對冷凍電鏡技術(shù)至今所取得的所有研究進(jìn)展的極大肯定，真是太激動(dòng)人心了。”與亨德森共事的冷凍電鏡專家舍爾斯·謝雷斯（Sjors Scheres）表示。在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉的前一天，他們倆參加完英國萊斯特的一個(gè)學(xué)術(shù)會議，在回來的路上，當(dāng)謝雷斯問亨德森是否會將手機(jī)關(guān)機(jī)，萬一諾貝爾獎(jiǎng)評審委員會來電怎么辦?！八卮鹫f，‘我覺得他們應(yīng)該會把諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給雅克·杜博歇?！麖膩聿粫庸ψ园恋卣f自己應(yīng)該得到諾獎(jiǎng)，”謝雷斯說，“這三位獲獎(jiǎng)?wù)叨紴槔鋬鲭婄R技術(shù)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)，他們獲諾獎(jiǎng)當(dāng)之無愧?！?/p>

左起依次為雅克·杜博歇、約阿希姆·弗蘭克和理查德·亨德森，他們對冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)

● 雅克·杜博歇、約阿希姆·弗蘭克和理查德·亨德森因發(fā)展了生物分子成像技術(shù)分享了2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥 隱]